CN114033386A - 一种深井掘进装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深井掘进装置，包括掘进机，掘进机的结构为：包括主支撑机构、回转支承、旋转刀盘和铣挖头；主支撑机构的四周设有支撑臂，主支撑机构的底部设有直线驱动机构，其固定端与主支撑机构连接，活动端与回转支承连接以驱动其升降；回转支承在水平面内绕其中心正反旋转；旋转刀盘连接于回转支承的下方，旋转刀盘中心设有驱动其在竖直平面内旋转的驱动机构，旋转刀盘的中心两端分别通过水平设置的伸缩臂安装铣挖头，铣挖头对称设置，并分别绕各自中心旋转；旋转刀盘表面上分别通过转轴安装若干切削刀。还涉及一种施工方法，施工速度快、施工周期短，作业占地面积小，能满足带水和硬岩无水作业工况，实现井内无人化施工，安全系数高。

Description

一种深井掘进装置及施工方法

技术领域

本发明涉及掘进施工技术领域，尤其是一种深井掘进装置及施工方法。

背景技术

地下空间建筑构造开发应用广泛的深井挖掘技术，在地下立体停车库、地铁建造始发井、隧道或地铁管网的通风井、城市污水虹吸管道及深海采矿等领域均有重要的应用。现有技术中，深井开挖一般为半机械式人工施工作业方式，特别是直径超过12米的大直径深井均以传统人工开挖为主，配合现浇或预制管片井筒的施工法，存在自动化程度较低，施工深度受限，难以满足30米以上深井施工，人需要再伴随深井开挖在井底施工，施工风险大；特别是在地下水资源丰富的工况施工难度更大。深井竖向垂直度等指标控制难度大，施工作业安全性较差，综合成本高、作业周期长、对施工场地面积的要求高等情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种深井掘进装置及施工方法，实现自动化掘进施工，以提高施工作业的效率以及对各类型施工环境的适应性。

本发明采用的技术方案如下：

一种深井掘进装置，包括掘进机，所述掘进机的结构为：包括主支撑机构、回转支承、旋转刀盘和铣挖头；

所述主支撑机构的四周设有支撑臂，主支撑机构的底部设有直线驱动机构，其固定端与主支撑机构连接，活动端与所述回转支承连接以驱动其升降；回转支承在水平面内绕其中心正反旋转；

所述旋转刀盘连接于所述回转支承的下方，旋转刀盘中心设有驱动其在竖直平面内旋转的驱动机构，旋转刀盘的中心两端分别通过水平设置的伸缩臂安装铣挖头，铣挖头对称设置，并分别绕各自中心旋转；所述旋转刀盘表面上分别通过转轴安装若干切削刀。

进一步技术方案为：

所述旋转刀盘呈圆盘状，其直径为深井直径的2/3；所述切削刀沿圆周方向均匀分布于旋转刀盘两端的圆周面上，所述圆周面包括内圆面和位于内圆面外圈的外圆面；外圆面上切削刀的安装角度相对于外圆面向外倾斜，内圆面上切削刀设置在相应的安装槽中。

所述回转支承的底部连接有支架，其成对称结构，支架顶端与回转支承固连，底端两侧分别与旋转刀盘中心两端对称设置的支撑轴相连，所述伸缩臂套设在所述支撑轴内，相对支撑轴伸缩运动。

所述支架上设有安装位，所述安装位用于安装砂浆泵及驱动其升降的升降机构、或者用于安装传输带，其用于将掘进物传输至井外。

所述铣挖头呈圆柱状，其表面上沿旋进方向均布有切削头。

所述直线驱动机构的结构为：包括伸缩油缸，其沿主支撑机构外圈均匀设置，伸缩油缸的伸缩端同时连接所述回转支承的顶面；所述主支撑机构底部设有导向轴，其用于为回转支承升降提供导向。

所述主支撑机构的支撑臂用于与构成初始衬砌的管片连接，管片内侧设有至少一个与其连接的导轨，所述导轨用于与其中一个所述支撑臂滑动配合，为掘进机提供导向；所述导轨由多个单元段沿井深方向拼接延长。

管片的内侧对称设有至少两个导轨，所述支撑臂以所述主支撑机构中心对称分布，处于对称位置的两个支撑臂分别与所述两个导轨滑动配合。

还包括放线装置，其结构包括绞线油缸，其设置在井口的环形基座上表面沿圆周均匀分布；绞线油缸通过钢线与构成深井初始井壁的管片相连。

一种深井掘进施工方法，包括以下步骤：

S1、安装初始衬砌：在井口位置浇注环形基座，使其高度与掘进机主支撑机构高度相同；沿环形基座内壁安装底部连接有钢刃的管片，形成初始衬砌单元；在所述环形基座上沿圆周均匀设置放线装置，放线装置通过钢线与管片连接；

S2、安装掘进机和导轨：沿管片内壁安装两个竖直设置的导轨，使主支撑机构的处于相对位置的两个支撑臂分别与两个导轨滑动配合，其余的支撑臂与管片连接；

S3、掘进切削：回转支承在直线驱动机构控制下步进式下降，旋转刀盘旋转，对底部地质层挖掘，形成与旋转刀盘尺寸形状匹配的挖掘区域；回转支承旋转180°，将挖掘区域拓展为半球型基坑；调整伸缩臂长度，利用铣挖头在半球形基坑中沿水平铣挖，拓宽深井直径；

S4、直线驱动机构完成一个行程后，停止当前掘进层的挖掘，将回转支承升起；放线装置控制钢线将初始衬砌单元及掘进机下放至完成掘进的位置，然后从上部拼接新的管片，形成新的衬砌单元，拼接导轨使其延长；

重复步骤S3至步骤S4，直到到达设定的掘进深度；

S5、对深井底部进行封底。

本发明的有益效果如下：

1、施工作业难度小、施工速度快、施工周期短，并且减小了作业的占地面积；满足带水和硬岩无水作业工况，井内无人化施工，安全系数高。

2、旋转刀盘与铣挖头组合式结构，使掘进机整体受力均匀平衡，反作用力小。

3、回转支承为承载主体，具备中心轴旋转、上下步进等功能，实现掘进机持续向前施工作业，效率高。

4、施工过程中管片始终受上端绞线油缸的控制，掘进机与衬砌位移均被有效监控。

5、通过导轨为主支撑臂提供导向，方便掘进机出井维护时快速移动以及进井后的快速定位。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

图1为本发明实施例的施工状态的结构示意图(主剖视图)。

图2为本发明实施例的施工状态的立体结构示意图(半剖图)。

图3为本发明实施例的衬砌结构的侧视图(半剖图)。

图4为本发明实施例的掘进机的结构示意图。

图5为图4的另一视角。

图中：1、旋转刀盘；2、铣挖头；3、伸缩臂；4、砂浆泵；5、升降油缸；6、主支撑机构；7、回转支承；8、导轨；9、管片；10、绞线油缸；11、绞线座；12、钢刃；13、管道架；14、环形基座；15、砂浆管道；16、泥水分离站；17、回水管道；101、切削刀；102、外圆面；103、内圆面；1031、安装槽；301、支撑轴；501、导向立柱；701、支架；702、伸缩油缸；703、导向轴。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的深井掘进装置，包括掘进机，如图4、图5所示，掘进机的结构为：包括主支撑机构6、回转支承7、旋转刀盘1和铣挖头2；

主支撑机构6的四周设有支撑臂，主支撑机构6的底部设有直线驱动机构，直线驱动机构的固定端与主支撑机构6连接，活动端与回转支承7连接驱动其升降；回转支承7在水平面内绕其中心正反旋转；旋转刀盘1连接于回转支承7的下方，旋转刀盘1中心设有驱动其在竖直平面内旋转的驱动机构，旋转刀盘1的中心两端分别通过水平设置的伸缩臂3安装铣挖头2，铣挖头2对称设置，并分别绕各自中心旋转；旋转刀盘1表面上分别通过转轴安装若干切削刀101。

旋转刀盘1呈圆盘状，其直径为深井直径的2/3；

切削刀101沿圆周方向均匀分布于旋转刀盘1两端的圆周面上，圆周面包括内圆面103和位于内圆面103外圈的外圆面102；其中，外圆面102上的切削刀101的安装角度相对于外圆面102向外倾斜，内圆面103上的切削刀101设置在相应的安装槽1031中。

具体的，切削刀101为圆盘形，可以自身安装转轴为轴心转动形成切削。

回转支承7的底部连接有支架701，其成对称结构(U形结构)，支架701顶端与回转支承7固连，底端两侧分别与旋转刀盘1中心两端对称设置的支撑轴301相连，伸缩臂3套设在支撑轴301内相对支撑轴301伸缩运动。

具体的，旋转刀盘1中心设置的驱动机构可采用液压马达，其驱动旋转刀盘1以支撑轴301为中心自转，同时旋转刀盘1亦在支架701的带动下以掘进机中心轴(即深井中心轴)旋转形成多角度掘进切削。

铣挖头2呈圆柱状，其表面上沿旋进方向均布有切削头。

具体的，铣挖头2也由设置在中心的液压马达驱动，并可在伸缩臂3的驱动下，沿水平方向伸缩。伸缩臂3可采用伸缩油缸，其固定端设置在支撑轴301内，伸缩端与铣挖头2连接。伸缩臂3、支撑轴301分别以旋转刀盘1中心对称设置。

在掘进机安装阶段或施工完成，取出时伸缩臂3缩进支撑轴301其长度小于深井内径，到达深井底部施工位置时伸出，实现掘进直径扩大至深井管片外径；通过调节伸缩臂3的长度位置使掘进机满足不同直径的深井施工。

支架701上设有安装位，安装位用于安装砂浆泵4及驱动其升降的升降机构、或者用于安装传输带，其用于将掘进物传输至井外。

具体的，如图2、图3和图5所示，驱动砂浆泵4升降的升降机构的结构包括升降油缸5和导向立柱501，升降油缸5的缸体与导向立柱501连接，升降油缸5的活塞杆端部与砂浆泵4连接，砂浆泵4与导向立柱501滑动配合，导向立柱501沿竖直方向连接于回转支承7的底部。砂浆泵4通过升降油缸5驱动沿导向立柱501上下移动以调节深度，自适应当前掘进层的深度，有效提取泥浆。

施工工况为在水作业时，通过砂浆泵4对井内底部泥浆的提取。如图1所示，泥浆沿着砂浆管道15通过管道架13被送到设置于深井外侧的泥水分离站16，分离后的地下水通过回水管道17又返回到井内，用于平衡井内的地下水压。

施工工况为全硬岩断面时，将砂浆泵、输送管道及泥水分离装置更换为传输带，直接将掘进物提取处井外。

如图4所示，直线驱动机构的结构为：包括伸缩油缸702，其沿主支撑机构6外圈均匀设置，伸缩油缸702的伸缩端同时连接回转支承7的顶面；主支撑机构6底部设有导向轴703，其用于为回转支承7升降提供导向。

如图1所示，支撑臂与构成深井初始衬砌单元的管片9相连，管片9的内侧设有至少一个与其连接的竖直方向设置的导轨8，导轨8用于与其中一个支撑臂滑动配合，为掘进机提供导向；导轨8由多个单元段沿井深方向拼接延长。

具体的，管片9的内侧对称设有至少两个导轨8，支撑臂以主支撑机构6中心对称分布，其中处于对称位置的两个支撑臂分别与两个导轨8滑动配合，可沿导轨8上下滑动，剩余的支撑臂则与管片9内壁上的预埋件连接。

如图1所示，还包括放线装置，其结构包括绞线油缸10，其设置在井口的环形基座14上表面沿圆周均匀分布；绞线油缸10通过钢线与构成深井初始井壁的管片9相连。

本实施例的深井掘进施工方法，包括以下步骤：

S1、安装初始衬砌：在井口位置浇注环形基座14，使其高度与掘进机主支撑机构6高度相同；沿环形基座14内壁安装底部连接有钢刃12的管片9，形成初始衬砌单元；在环形基座14上沿圆周均匀设置放线装置，放线装置通过钢线与管片9连接；

具体的，环形基座14的内径需略大于要建造的深井外径0.3-0.5米，外径和深度可依据施工深井直径和深度设计。

具体的，在环形基座14上采用预浇筑地脚连接螺钉的方式安装6个绞线油缸10作为放线装置，绞线油缸10与深井中心轴线成20°角倾斜，钢绞线头端沿油缸向下延伸与钢刃12上均布的绞线座11紧固连接，形成钢绞线对钢刃的提升作用。管片9被逐一拼接安装在钢刃12上，钢刃12为外径侧具有刃角的钢制环形结构，具有对深井底部外侧地质沿外径形成切削作用和对与其具有相同内外径的环形管片9提拉作用，伴随钢绞线的下放钢刃12连同管片9被逐步向下延伸到达预挖的环形基座14底部，完成衬砌的初装准备工作。

具体的，管片9上还设置有预埋件与主支撑机构6的支撑臂连接。

其中，绞线油缸根据深井直径和衬砌重量也可以为其他数量。

S2、安装掘进机和导轨8：沿管片9内壁安装两个导轨8，使主支撑机构6的处于相对位置的两个支撑臂分别与两个导轨8滑动配合，其余的支撑臂则与管片9通过预埋件连接；

具体的，主支撑机构6的四个支撑臂呈90°均布，其中对角两个与导轨8滑动配合，可随施工沿管片滑动，施工过程中对掘进机进行维护或施工结束掘进机取出时，可使得其沿轨道引导进行移动，如需要再次下放时可以准确就位。

S3、掘进切削：回转支承7在直线驱动机构控制下步进式下降，旋转刀盘1旋转，对底部地质层挖掘，形成与旋转刀盘1尺寸形状匹配的挖掘区域；回转支承7旋转180°，将挖掘区域拓展为半球型基坑；调整伸缩臂3长度，利用铣挖头2在半球形基坑中沿水平铣挖，拓宽深井直径；

具体的，铣挖头2通过旋转实现对地质层的切削。铣挖头2与旋转刀盘1相互补充，沿着旋转刀盘1挖掘出的半球形基坑上水平切削挖掘，增加深井直径。掘进施工过程中旋转刀盘1先挖出的半球基坑起到导向作用，对称布局的铣挖头2起到平衡稳定的作用。

具体的，回转支承7在伸缩油缸702的带动下以导向轴703为中心上升或下降步进，实现掘进机持续向前施工作业。伸缩油缸702到达伸出极限位置时，停止挖掘，伸缩油缸702缩回，掘进机在当前掘进层被提起。

S4、直线驱动机构完成一个行程后，停止当前掘进层的挖掘，将回转支承7升起；放线装置控制钢线将初始衬砌单元及掘进机下放至完成掘进的位置(绞线油缸10同步下放钢绞线)，然后从上部拼接新管片9，形成新的衬砌单元，同时拼接导轨8(类似管片，由多个导轨单元段拼接)使其延长，使导轨8与深井施工管片9同步安装；

具体的，均布于环形基座14的绞线油缸10下放速度被严格控制，同步完成钢刃及衬砌管片的下放，保证垂直度符合设计要求

重复步骤S3至步骤S4，直到到达设定的掘进深度；

S5、对深井底部进行封底。

具体的，掘进深度完成后，伸缩臂3等收缩到最短位置，底部形成较大的空间，此时向深井底部浇筑混凝土封底，之后将井内地下水抽出，掘进设备在起重机的作用下提起完成深井作业。

本申请掘进机的旋转刀盘与铣挖头组合式掘进结构，通过旋转刀盘快速掘进先形成半球形导向基坑，再利用对称的铣挖头对基坑外延平行铣挖，使掘进机整体受力均匀平衡，反作用力小。回转支撑等工作部分旋转180°可完成一个掘进单元的挖掘，相对于独臂式掘进机360°逐一往复铣挖的工作模式掘进速度大幅度提高，极大地缩短了施工周期。同时，可满足在水和硬岩等作业工况，无地下水沉降等风险，施工对周边建筑物等环境没有影响，即适合在空间狭小的街道、楼宇间等工况条件下完成深井施工作业，也可用于地下矿物的采掘工作。适合12米及以上超大直径深井的施工作业，且作业直径根据深井直径自动调节，适用范围广。本申请的掘进施工方法，通过中心基坑引导式平衡掘进，有利于保证深井的垂直度等参数。

Claims (10)

1.一种深井掘进装置，其特征在于，包括掘进机，所述掘进机的结构为：包括主支撑机构(6)、回转支承(7)、旋转刀盘(1)和铣挖头(2)；

所述主支撑机构(6)的四周设有支撑臂，主支撑机构(6)的底部设有直线驱动机构，其固定端与主支撑机构(6)连接，活动端与所述回转支承(7)连接以驱动其升降；回转支承(7)在水平面内绕其中心正反旋转；

所述旋转刀盘(1)连接于所述回转支承(7)的下方，旋转刀盘(1)中心设有驱动其在竖直平面内旋转的驱动机构，旋转刀盘(1)的中心两端分别通过水平设置的伸缩臂(3)安装铣挖头(2)，铣挖头(2)对称设置，并分别绕各自中心旋转；所述旋转刀盘(1)表面上分别通过转轴安装若干切削刀(101)。

2.根据权利要求1所述的深井掘进装置，其特征在于，所述旋转刀盘(1)呈圆盘状，其直径为深井直径的2/3；所述切削刀(101)沿圆周方向均匀分布于旋转刀盘(1)两端的圆周面上，所述圆周面包括内圆面(103)和位于内圆面(103)外圈的外圆面(102)；外圆面(102)上切削刀(101)的安装角度相对于外圆面(102)向外倾斜，内圆面(103)上切削刀(101)设置在相应的安装槽(1031)中。

3.根据权利要求1所述的深井掘进装置，其特征在于，所述回转支承(7)的底部连接有支架(701)，其呈对称结构，支架(701)顶端与回转支承(7)固连，底端两侧分别与旋转刀盘(1)中心两端对称设置的支撑轴(301)相连，所述伸缩臂(3)套设在所述支撑轴(301)内，相对支撑轴(301)伸缩运动。

4.根据权利要求3所述的深井掘进装置，其特征在于，所述支架(701)上设有安装位，所述安装位用于安装砂浆泵(4)及驱动其升降的升降机构、或者用于安装传输带，其用于将掘进物传输至井外。

5.根据权利要求1所述的深井掘进装置，其特征在于，所述铣挖头(2)呈圆柱状，其表面上沿旋进方向均布有切削头。

6.根据权利要求1所述的深井掘进装置，其特征在于，所述直线驱动机构的结构为：包括伸缩油缸(702)，其沿主支撑机构(6)外圈均匀设置，伸缩油缸(702)的伸缩端同时连接所述回转支承(7)的顶面；所述主支撑机构(6)底部设有导向轴(703)，其用于为回转支承(7)升降提供导向。

7.根据权利要求1所述的深井掘进装置，其特征在于，所述主支撑机构(6)的支撑臂用于与构成初始衬砌的管片(9)连接，管片(9)内侧设有至少一个与其连接的导轨(8)，所述导轨(8)用于与其中一个所述支撑臂滑动配合，为掘进机提供导向；所述导轨(8)由多个单元段沿井深方向拼接延长。

8.根据权利要求7所述的深井掘进装置，其特征在于，管片(9)的内侧对称设有至少两个导轨(8)，所述支撑臂以所述主支撑机构(6)中心对称分布，处于对称位置的两个支撑臂分别与所述两个导轨(8)滑动配合。

9.根据权利要求1所述的深井掘进装置，其特征在于，还包括放线装置，其包括绞线油缸(10)，其设置在井口的环形基座(14)上表面沿圆周均匀分布；绞线油缸(10)通过钢线与构成深井初始井壁的管片(9)相连。

10.一种深井掘进施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、安装初始衬砌：在井口位置浇注环形基座(14)，使其高度与掘进机主支撑机构(6)高度相同；沿环形基座(14)内壁安装底部连接有钢刃(12)的管片(9)，形成初始衬砌单元；在所述环形基座(14)上沿圆周均匀设置放线装置，放线装置通过钢线与管片(9)连接；

S2、安装掘进机和导轨(8)：沿管片(9)内壁安装两个竖直设置的导轨(8)，使主支撑机构(6)的处于相对位置的两个支撑臂分别与两个导轨(8)滑动配合，其余的支撑臂与管片(9)连接；

S3、掘进切削：回转支承(7)在直线驱动机构控制下步进式下降，旋转刀盘(1)旋转，对底部地质层挖掘，形成与旋转刀盘(1)尺寸形状匹配的挖掘区域；回转支承(7)旋转180°，将挖掘区域拓展为半球型基坑；调整伸缩臂(3)长度，利用铣挖头(2)在半球形基坑中沿水平铣挖，拓宽深井直径；

S4、直线驱动机构完成一个行程后，停止当前掘进层的挖掘，将回转支承(7)升起；放线装置控制钢线将初始衬砌单元及掘进机下放至完成掘进的位置，然后从上部拼接新的管片(9)，形成新的衬砌单元，拼接导轨(8)使其延长；

重复步骤S3至步骤S4，直到到达设定的掘进深度；

S5、对深井底部进行封底。

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